張建華，余 輝，黑靈巧，王明霞，魏迎軍

(1．鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450001;2．鄭州人民醫(yī)院 設(shè)備科，河南 鄭州450003;3．黃淮學(xué)院電子科學(xué)與工程系，河南 駐馬店463000)

0 引言

我國是腫瘤發(fā)病率較高的國家之一［1］． 目前治療手段首選手術(shù)切除，但該方法存在患者痛苦、價(jià)格高、風(fēng)險(xiǎn)大等問題;而放射治療腫瘤費(fèi)用低、風(fēng)險(xiǎn)小、療效顯著，因此放射治療逐漸成為治療腫瘤的首選方法．采用放射法治療腫瘤的原則是最大限度提高病變組織的射線受量和減少正常組織射線受量，因此精確放療意義重大［2］． 在體部腫瘤的放療中，尤其是在胸、肺、上腹部的放療中，由于呼吸運(yùn)動(dòng)造成的靶位最大位移達(dá)到20 mm 左右［3］，導(dǎo)致在放療的過程中腫瘤周圍的正常組織受到與計(jì)劃受量有明顯差別的輻射，從而增加了正常組織并發(fā)癥的概率．因此，設(shè)計(jì)一種能減少伽馬刀放療對患者正常組織損害的系統(tǒng)依然是伽馬刀放療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)．

1 設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)腫瘤放療的“三精”問題，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架如圖1 所示． 由圖1 可知，步進(jìn)電機(jī)的控制、靶點(diǎn)位移模型的建立、患者呼吸信號的采集是伽馬刀擺位床研究的關(guān)鍵． 患者在治療時(shí)的呼吸信號被壓電傳感器采集后，輸送給單片機(jī)系統(tǒng)，此時(shí)單片機(jī)會(huì)控制3 個(gè)步進(jìn)電機(jī)做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)擺位床按呼吸規(guī)律的逆向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，以降低呼吸對放療精度的影響．

圖1 智能擺位床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖Fig．1 The design diagram of intelligent positioning bed system

1．1 硬件系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用絲桿為滾珠螺桿(直徑D =20 mm，長度L=1 m);Z1和Z2為兩個(gè)傳動(dòng)齒輪，直徑分別為d1=20 mm，d2=100 mm，寬度均為w =20 mm，摩擦系數(shù)取為μ=0．2;取病人與擺位床的重量P=120 kg;在x、y、z 3 個(gè)方向上受力Fx=1 176 N，F(xiàn)y=Fz=235 N;通過計(jì)算得出負(fù)載轉(zhuǎn)矩T =2．4 N·m，滾珠螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I0=0．012 kg·m2，Z1和Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為I1=0．031 kg·m2，I2=0．002 kg·m2，傳動(dòng)比I21=2，步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm=8．6 N·m，考慮到其他外部因素的影響將Tm乘上一系數(shù)，在這里取a =1．5，得到步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tma=12．9 N·m．根據(jù)設(shè)計(jì)需要的速度和Tma查找步進(jìn)電機(jī)選型手冊，選出了SM 150 -180 -20 LFB 型號步進(jìn)電機(jī);根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的額定電流和設(shè)計(jì)的精度要求選取SA3L15C 型號的驅(qū)動(dòng)器．

腫瘤運(yùn)動(dòng)是一個(gè)三維運(yùn)動(dòng)過程［4］，在硬件設(shè)計(jì)中就需要將其分成三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，并用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制． 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)框圖如圖2 所示．

圖2 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)框圖Fig．2 The block diagram of stepping motor system controlled by single chip microcomputer

SM 150 -180 -20 LFB 型號步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器每接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)1．8°． 工作時(shí)，通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的．為了提高擺位床運(yùn)動(dòng)的精確度，讓驅(qū)動(dòng)器工作在4 細(xì)分狀態(tài)下，這時(shí)，步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖信號就會(huì)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)0．45°，再通過滾珠螺桿將步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)擺位床運(yùn)動(dòng)，降低呼吸對放療精度的影響．

1．2 軟件系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用C 語言進(jìn)行編程，在windows7 環(huán)境下利用編程軟件Keil uVision3 進(jìn)行編寫． 軟件的主要功能是控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)方向、運(yùn)行速度的變化等．

2 靶點(diǎn)位移模型的建立

根據(jù)伽瑪?shù)斗派渲委熌[瘤的治療要求，筆者利用CT 掃描和實(shí)時(shí)成像技術(shù)［5］獲取腫瘤隨著周期性呼吸運(yùn)動(dòng)而改變位置的橫斷面圖像，使用插值算法重建實(shí)際的圖像序列． 重建的序列可以反映出腫瘤在不同呼吸周期中的變化規(guī)律，從而得到腫瘤的偏移數(shù)據(jù)． 采用壓電傳感器得出患者的呼吸信號曲線．由于腫瘤的移動(dòng)與呼吸同時(shí)進(jìn)行，且周期相同，所以可以將兩者通過時(shí)間建立起對應(yīng)的關(guān)系，最后通過采集患者的呼吸信號來確定腫瘤的位移數(shù)據(jù)． 由于該患者的呼吸周期約為4．4 s，從所得數(shù)據(jù)中選取一個(gè)呼吸周期內(nèi)腫瘤的44 組偏移數(shù)據(jù)．為了更加直觀地檢驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)所選取的44 組偏移數(shù)據(jù)的質(zhì)量，44 組偏移數(shù)據(jù)分別在x、y、z 軸的顯示如圖3 所示，由該圖可以看出:所選取的數(shù)據(jù)能夠很好地反映出腫瘤的偏移信息．

根據(jù)本設(shè)計(jì)對精確度的要求，分別采用粒子群算法(PSO)、標(biāo)準(zhǔn)差分進(jìn)化算法(DE)、準(zhǔn)牛頓算法(BFGS)和遺傳算法(GA)對該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過比較4 種算法的擬合程度及綜合評估，最終選擇擬合程度高、算法運(yùn)行時(shí)間短的準(zhǔn)牛頓算法，4 種算法的相關(guān)因素比較見表1．

圖3 44 組腫瘤偏移數(shù)據(jù)分別在x、y、z 方向上的顯示Fig．3 The visual display of the 44 groups of offset datas at x、y、z directions

表1 4 種算法相關(guān)因素比較表Tab．1 The relevant factors comparison table of four algorithms

通過表1 可以看出:BFGS 的R、SSE、DC 均是4 種算法當(dāng)中最好的，利用BFGS 算法得到的優(yōu)化模型為

將該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的x 和y 代入上式，經(jīng)過Matlab7．0 進(jìn)行編程，得出z 的計(jì)算值，將z 計(jì)算值與實(shí)際z 值對比如圖4 所示．由該圖可看出，該模型具有很好的擬合性．

圖4 BFGS 模型得出z 計(jì)算與實(shí)際z 值對圖Fig．4 The comparison chart of z value obtained by BFGS model and actual z value

由于患者個(gè)體的差異性，每個(gè)患者所對應(yīng)的優(yōu)化模型就會(huì)有一定的差異．模型中k 為權(quán)重，不同的患者有不同的k 值．影響k 值的因素包括身高、體重、肺活量、性別、年齡等因素，導(dǎo)致的最終結(jié)果是腫瘤偏移數(shù)據(jù)的不同．通過更改程序中腫瘤的偏移數(shù)據(jù)，不同患者的優(yōu)化模型就能很容易得到．

3 結(jié)果與討論

使用該控制方法后，再次通過CT 掃描和實(shí)時(shí)成像技術(shù)，獲得腫瘤隨著周期性呼吸運(yùn)動(dòng)而改變位置的橫斷面圖像，使用插值算法重建實(shí)際的圖像序列．重建的序列可以反映出腫瘤在不同呼吸周期中的二維變化規(guī)律，從而得出使用控制方法后腫瘤的偏移數(shù)據(jù)(x 方向)． 通過Matlab7． 0將使用控制方法前x 方向腫瘤位移數(shù)據(jù)和使用控制方法后測得x 方向腫瘤位移數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如圖5 所示．

圖5 x 方向腫瘤位移波形在使用控制方法前后的對比圖Fig．5 Contrast diagram of tumor displacement waveform in x－axis before and after control method

圖5 反映出了3 個(gè)呼吸周期中使用控制系統(tǒng)前、后腫瘤偏離的位移波形．實(shí)線為未使用該控制方法前腫瘤偏離的位移波形，點(diǎn)畫線為使用了該控制系統(tǒng)后腫瘤偏離靶點(diǎn)的位移波形． 通過對比可以看出，使用該控制系統(tǒng)能夠減少呼吸運(yùn)動(dòng)造成的腫瘤偏移幅度．從圖5 可以看出，該系統(tǒng)具有一定的延遲性，分析原因主要有以下3 個(gè)方面:①單片機(jī)程序運(yùn)行造成的延遲時(shí)間;②步進(jìn)電機(jī)的釋放信號、驅(qū)動(dòng)的控制信號、方向的控制信號都需要一定的延遲時(shí)間才能有效，也造成了延遲時(shí)間;③實(shí)驗(yàn)時(shí)人為導(dǎo)致的各種誤差等．同時(shí)，使用相同的方法得出y、z 方向和x 方向具有類似的結(jié)論．

4 結(jié)論

使用擺位床控制系統(tǒng)，能夠有效地減小放療時(shí)呼吸導(dǎo)致的腫瘤偏移幅度，這對減少腫瘤周圍正常組織受照劑量，減少患者的并發(fā)癥起到很重要的作用．但是，由于單片機(jī)系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都具有一定的延遲性，擺位床的運(yùn)動(dòng)必然會(huì)滯后于呼吸運(yùn)動(dòng);用壓電傳感器檢測到的患者呼吸信號并不與體內(nèi)的腫瘤運(yùn)動(dòng)有相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律［6］;腫瘤位移數(shù)據(jù)的采集也沒有一個(gè)統(tǒng)一認(rèn)可的方法，國內(nèi)外不同學(xué)者運(yùn)用不同的方法得到的腫瘤位移存在差異［7］．因此，如何解決以上問題依然是國內(nèi)外專家研究的熱點(diǎn)和提高腫瘤放療精度的關(guān)鍵．

［1］ 鄭榮壽，張思維，吳良有，等． 中國腫瘤登記地區(qū)2008 年惡性腫瘤發(fā)病和死亡分析［J］． 中國腫瘤，2012，21(1):1 -12．

［2］ 任金山．淺談中醫(yī)與西醫(yī)放射結(jié)合治療腫瘤的優(yōu)勢與療效［J］．中醫(yī)臨床研究，2011，3(6):115 -116．

［3］ 伍銳，陳超敏． 呼吸控制技術(shù)在肺部腫瘤精確放射治療中的應(yīng)用［J］． 生物醫(yī)學(xué)工程研究，2009，28(2):159 -162．

［4］ 趙軍，陳健龍，張茂，等．顱內(nèi)動(dòng)脈瘤介入診療中三維旋轉(zhuǎn)造影成像技術(shù)分析［J］． 中國老年學(xué)雜志，2012，32(2):241 -243．

［5］ 張明鑫，王健生． 腫瘤動(dòng)物模型影像學(xué)研究進(jìn)展［J］．中國現(xiàn)代普通外科進(jìn)展，2007，10(6):520-523．

［6］ DANIEL A，PARAG J，WEI L，et al． Novel breathing motion model for radiotherapy［J］．Int J Radiat Oncol Biol Phys，2005，63:921 -929．

［7］ 胡永果．探索中央型肺癌腫塊位移的影響因素及其數(shù)學(xué)模型的建立［D］． 蘭州:蘭州大學(xué)第一醫(yī)院，2010．